贵州乌江梯级水库入库流量计算分析及改进方法

2015-04-06王俊莉贵州乌江水电开发有限责任公司贵州贵阳550002

水利水电快报 2015年4期

王俊莉(贵州乌江水电开发有限责任公司，贵州贵阳 550002)

王俊莉(贵州乌江水电开发有限责任公司，贵州贵阳 550002)

针对乌江梯级水库小时入库流量“锯齿”波动及负值、梯级区间流量负值等现象，对坝址入库和区间流量计算的影响因素进行分析。以洪家渡、东风、乌江渡及构皮滩4座水库为例,提出了相应的改进计算方法，并将七点滑动平均法应用于乌江梯级，明显提升了入库流量过程的平稳性，成效显著。从改进后的实际应用情况看，只要使用方法得当，就可以提高入库流量计算精度，以便为作好乌江梯级水库防洪决策及调度服务。

梯级水库;入库流量;流量计算;乌江

水调自动化系统(以下简称“水调系统”)是一个复杂且专业的信息自动化系统工程。自水调系统建设运行以来，已成为贵州乌江水电开发有限责任公司水电站远程集控中心(以下简称“贵州乌江公司集控中心”)生产运行、调度管理的核心系统，为乌江公司的相关业务开展提供了数据和技术支持。随着该公司生产管理的不断提升，水调系统也越来越受到重视。受发电、泄流、库水位测量和计算方法等因素的影响，入库流量的计算结果偏差较大，过程线也大多呈“锯齿”状剧烈波动，甚至出现负值，计算结果失真，从而对区间实时流量过程计算造成一定影响，无法确定汇流时间，对防洪决策、指挥调度以及发电计划编制产生了较大影响[1]。因此，应对入库流量加以分析。

1 入库流量特性及作用

1.1 入库流量特性

入库流量是河川径流的一种特殊状态，其发生、发展有特定规律，并表现出以下几点特性。

(1)时变性。受自然或人为因素的影响，入库流量随时间而不断改变。

(2)连续性。入库流量的变化连续不断，并遵循质量守恒定律。

(3)非线性和非恒定性。与自然河道水流一样，入库流量的变化不是均匀、线性的。

(4)不重复性。虽然河川径流有其本身的周期性，但不会重复同样的变化轨迹。

(5)非模型化。不能通过建立计算模型来推求入库流量。

(6)不可测量性。与河道断面流量的可测量性不同，入库流量只能在发生后，利用公式进行反推，才能得出“实际”值。

1.2 入库流量在水库调度中的作用[2]

入库流量是指导水库运行最直接有效的指标之一。水库优化调度、洪水调度以及洪水预报等都需要准确的入库流量作为支持，特别是在水库调度自动化程度日益提高的今天，若入库流量计算精度偏低，不但会限制水调自动化功能的实用性，也会影响到电网端对电厂水调数据的使用。可以说，对入库流量的准确推求，不仅能促进水库的安全经济运行，还可促进电网的优化调度，有利于实现水资源的优化配置，促进国民经济可持续发展。

2 入库流量计算误差

2.1 计算基本原理

目前，依据水量平衡原理和水库调度管理规范来计算入库流量，水库的入库流量、出库流量及梯级区间流量的通用计算方法如下。

出库流量=各机组发电流量+
各泄流设备弃水流量 +航运流量+损失流量

(1)

入库流量=出库流量+
(时段末库容-时段初库容)/时段长

(2)

梯级区间流量=下级电站入库流量-
上级电站出库流量

(3)

其中，式(1)中的航运流量仅存在于有独立航道的水库，难以量化损失流量，在大多数系统中直接置零。

2.2 计算误差来源

入库流量计算误差主要来源于以下几个方面。

(1) 库水位。目前很多水库仅在坝前才有库水位观测站，且以坝前水位作为整个水库的代表水位，这对水库总库容的计算影响较大。坝前的机组启闭、闸门开关等操作均会严重影响到当时的瞬时水位。由于操作时间短，水库库容并未产生对应变化，从而造成库容变化的假象。因此，库水位的代表性不强是导致入库流量计算不准确的最主要因素。

(2) 动库容影响。水库库容曲线是假定水库水面为平面的情况下得到的，这只有当水流速度很小时才可成立。这种静库容曲线在一般的湖泊型水库或较短的河道型水库计算中基本可满足精度要求，但对于较长的河道型水库而言，其水库末端总会存在较大回水，从而使水面形成向上翘的曲线，而非水平线。若不考虑动库容影响，必将影响入库流量的计算精度，水库动静库容如图1所示。

(3) 坝前闸门控泄。当相邻时段出库流量变化较小时，坝前水面线基本呈渐变状态，变化比较稳定；当出库流量变化较大时，近坝区的水面线则有明显的升跌变化，这会直接导致坝前水位的大幅波动，进而影响入库流量的计算精度。

(4) 出库流量计算。出库流量主要包括发电流量、各泄流设施泄流、船闸流量等，各部分计算均可能出现误差。

(5) 静库容曲线。水库建成后，受水流冲刷、泥沙淤积等影响，其河道地形必然发生变化，这将导致库容曲线与建库前不一致，且建库后不同运行时期的库容曲线也可能不一致。

3 入库流量计算改进方法及分析

目前，河道型水库水务计算的小时入库流量普遍存在“锯齿”波动、入库流量负值、梯级区间流量负值等现象属专业难题，故在水调自动化系统中，不能采用简易方法直接处理。针对这一现状，三峡集团等流域梯级公司均开展了专题研究，包括动库容分析、泄流曲线校正、机组NHQ关系曲线修正、梯级水量平衡关系率定、卡尔曼滤波校正、七点滑动平均校正等，效果均十分显著。

本文仅针对贵州乌江公司所辖的乌江梯级水电站(洪家渡、东风、乌江渡、构皮滩、索风营、思林、沙沱、大花水、格里桥9级)，其中前4座电站水库库容大、调节性能良好，其余5座则为日调节电站。针对任一水库，假设某t时段内库水位变幅为ΔZ，对应的水库蓄水量变幅为ΔVz，则t时段流量变幅为ΔQ=ΔVZ/Δt。由此可见，水库库容越大，相同水位变幅ΔZ产生的ΔQ流量变幅就越大。

因此，对于乌江梯级水库入库流量计算改进方法和分析仅以洪家渡、东风、乌江渡及构皮滩4座水库(2013年1月1～5日)为例加以说明，与之相关的改进算法可推广至全梯级应用。研究表明，平滑后入库流量过程平稳性显著提升。

3.1 坝址入库流量

坝址入库流量计算改进方式通常有分段库容叠加法、库容差修正法、卡尔曼滤波法和七点滑动平均法等。

(1) 分段库容叠加法。对于河道地形资料齐全且库区遥测水位站点多的水库，可对河道进行分段。首先按大断面资料积分,计算各分段库容曲线，然后以各分段遥测水位查分段库容曲线得各分段库容，叠加后即为总库容，最后再根据水量平衡方程计算入库流量。在该法中，充分考虑了库区回水末端及沿程附加比降的影响，是精度最高的入库流量算法，目前仅应用于三峡水库，其余多数水库不具备基础资料条件，难以推广。

(2)库容差修正法。假定计算入库偏差与库容差之间存在一定相关性，建立计算入库偏差与库容差的相关关系，进而计算修正入库流量。运用该法需要入库流量偏差与库容差具有较好相关性，经分析计算，乌江梯级各水库按该法计算的小时入库流量过程改进效果欠佳，仍存在较大的“锯齿”波动和负值现象。

(3)卡尔曼滤波校正法。将入库流量的“锯齿”跳变视为随机干扰，运用离散状态空间方程，以“预测-实测-修正”的顺序递推，从而实现入库流量滤波和预测。在该法中，需要实测流量作为滤波依据。若乌江梯级各调节型水库附近有代表性较好的流量站或水文站，且具有小时流量实测数据，可尝试采用该法进行入库流量修正。

(4)七点滑动平均法。设某入库流量序列为Q1,Q2,…,QT-1，QT,其中T>7。则其七点滑动平均流量序列计算公式为：

(4)

式中，T为当前时段,h；t为计算时段，h；qt为计算时段入库流量，m3/s；Q1为第一个时段入库流量，m3/s；Q2为第二个时段入库流量，m3/s；下同。Qt-1为计算时段t向前推一个时段对应的入库流量，m3/s；Qt-2为计算时段t向前推二个时段对应的入库流量,m3/s；QT-1为当前时段T向前1h对应的入库流量，m3/s;QT-2为当前时段T向前推2h对应的入库流量，m3/s,下同。

对于t=T-2、T-1、T这3个时段，当前计算的是暂时值。在未来时段滚动过程中，这3个时段的数值会根据未来的变化趋势滚动修正。例如当时段t=T+1时，需重算t=T-2、T-1、T这3个时段，其中T-2时段转为稳定值，以后无需继续修正，但T-1、T时段还需滚动修正，后续时段以此类推。平滑后若存在负值，则置为零。该法的物理意义明确，具有良好的适应性，能较好地模拟小时入库流量过程变化趋势，且无需任何参照依据和辅助资料，原理简单、实现便捷，但在该法中，每次只能确定3h前的入库流量过程，3h前至当前的3个入库流量值会被滚动修正，实时性较差。

3.2 区间入库流量

由于出库流量计算相对稳定，因此，区间入库流量计算精度主要依赖于坝址入库流量和区间传播时间。在坝址入库流量方面，可采用平滑入库流量作为计算依据，确定区间传播时间则是计算区间入库流量的难点。从直观上看，上级电站出库流量越大，区间传播越快，反之则传播越慢。这一定性认识存在一定局限性，且无法量化。事实上，根据水力学理论，河道水流速度的计算公式应表达如下。

流速=(水力半径的2/3次方)×
(坡度的平方根)/河床糙率

(5)

水力半径=断面面积/除水面以外的断面周长

(6)

式(5)、(6)中，坡度为比值，水力半径单位为m，流速单位为m/s。

河床糙率与河床粗糙程度有关，对计算结果影响较大，可参考表1。

由此可见，影响区间传播的本质因素是水力半径、坡度和河床糙率，而非流量大小。流量对区间传播时间的影响，是通过改变水力半径来间接反映的。因此，对于大江大河而言，根据式(5)～(6)，结合实际流量变化规律，估算梯级区间传播时间的固定值即可，无需采用变化的传播曲线。此外，无法准确率定流量-传播时间曲线，用经验曲线计算会扩大误差，如在上级电站调峰或泄洪时，易引起下级电站入库流量的错时叠加。

有时梯级区间入库流量会存在负值，主要原因有以下两点：①区间流量损失，包括蒸发、河底渗流、填洼、河岸植被拦蓄、工农业取水等； ②流量坦化，上级出库流量在区间河道中传播时会坦化。在实际计算中，并未考虑这两点。为便于理解，可直接置零，表示该时段的流量损失和坦化程度较大。

从本质上讲，区间入库流量负值现象有其物理涵义。综上，按下级电站本时段平滑坝址入库流量减去其上级电站传播时间对应时段的出库流量，来计算贵州乌江公司水调系统的各区间入库流量。其中，可基于梯级流量变化规律，结合式(5)、(6)和表1，计算获得各区间传播时间。若计算区间流量为负，则置零。